錢同惠+王波++賴重遠(yuǎn)

摘 要： 在針對(duì)目前國(guó)內(nèi)自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)過程中堆垛機(jī)進(jìn)出庫(kù)效率低下的原因進(jìn)行分析后，提出基于堆垛機(jī)等效用時(shí)標(biāo)號(hào)法的儲(chǔ)位分配管理優(yōu)化、倉(cāng)儲(chǔ)資源統(tǒng)籌管理優(yōu)化的研究策略。從單個(gè)貨架貨位管理到整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)貨位的儲(chǔ)位分配管理，在給定參數(shù)下，對(duì)比了優(yōu)化前后實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該儲(chǔ)位分配優(yōu)化方法能夠大大提升倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的效率，降低倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。

關(guān)鍵詞： 智能倉(cāng)儲(chǔ)； 管理系統(tǒng)； 儲(chǔ)位分配； 管理優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TN911?34； F251 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）22?0041?03

近年來，隨著電子商務(wù)的蓬勃發(fā)展，物流技術(shù)和倉(cāng)儲(chǔ)能力的需求也在不斷增加。企業(yè)的物流管理水平直接影響著企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，而倉(cāng)儲(chǔ)管理中的出入庫(kù)效率又是物流管理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。為了更加有效地管理自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，提高整體作業(yè)效率，就要求對(duì)貨位分配進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)堆垛機(jī)揀選作業(yè)路線進(jìn)行優(yōu)化，以提高倉(cāng)庫(kù)布局的合理性，減少貨品的搬運(yùn)和存儲(chǔ)成本，降低在存儲(chǔ)及搬運(yùn)過程中所損耗的時(shí)間和空間成本，從而提高企業(yè)效益。自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)（Automated Storage and Retrieval System，AS/RS）作為現(xiàn)代物流倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的核心，在現(xiàn)代化物流發(fā)展中發(fā)揮了巨大作用，它在醫(yī)藥業(yè)、鋼鐵業(yè)、煙草業(yè)、電子商務(wù)業(yè)等制造業(yè)和日常生活中得到了廣泛應(yīng)用[1?2]。自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)作為倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)，其運(yùn)行效率和成本成為人們科學(xué)研究的熱點(diǎn)，也是加快企業(yè)生產(chǎn)節(jié)奏、推動(dòng)企業(yè)節(jié)能減排的有效途徑。從目前的調(diào)查和研究來看，我國(guó)很大一部分物流企業(yè)尚未建立起自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)，甚至未能將其提到日程上來。而從國(guó)內(nèi)的部分擁有自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)的企業(yè)調(diào)查研究來看，也存在以下問題：自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)操作過程的半自動(dòng)化、員工業(yè)務(wù)水平不高；自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的智能化程度不高，對(duì)貨架、貨位的優(yōu)化不夠；入庫(kù)叉車和堆垛機(jī)運(yùn)行效率不高，設(shè)備之間缺乏協(xié)同運(yùn)作；任務(wù)動(dòng)態(tài)調(diào)度優(yōu)化不夠，貨物入庫(kù)和出庫(kù)未考慮訂單狀態(tài)等。本文就目前國(guó)內(nèi)自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)使用過程中存在智能化程度不高，對(duì)貨架、倉(cāng)儲(chǔ)貨位的優(yōu)化欠缺這一問題加以分析和研究，提出相應(yīng)的解決方案、建立相應(yīng)的仿真優(yōu)化模型、對(duì)比優(yōu)化前后企業(yè)自動(dòng)化立體倉(cāng)儲(chǔ)的作業(yè)效率。

1 倉(cāng)儲(chǔ)概述

倉(cāng)儲(chǔ)定義為利用倉(cāng)庫(kù)的存放、保存功能，將貨物儲(chǔ)存以備使用的行為。倉(cāng)儲(chǔ)即包含有靜態(tài)物品的儲(chǔ)存，也可包含動(dòng)態(tài)的物品的存取、保管和控制等過程[3?4]。倉(cāng)儲(chǔ)應(yīng)該具備倉(cāng)庫(kù)的基本功能，可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行存放和提??；其次，倉(cāng)儲(chǔ)應(yīng)該對(duì)操作對(duì)象有一定的管理功能，如進(jìn)出貨物數(shù)量、進(jìn)出貨物頻次、操作損壞處理等；按照倉(cāng)儲(chǔ)的經(jīng)營(yíng)主體來劃分，可以將倉(cāng)儲(chǔ)分為企業(yè)單位自營(yíng)倉(cāng)儲(chǔ)、個(gè)體專用倉(cāng)儲(chǔ)和政府設(shè)立戰(zhàn)略型倉(cāng)儲(chǔ)等；如果按照倉(cāng)儲(chǔ)對(duì)象來劃分，可以將倉(cāng)儲(chǔ)分為一般性物品倉(cāng)儲(chǔ)和特殊性物品倉(cāng)儲(chǔ)；如果按照倉(cāng)儲(chǔ)功能來劃分，可以將倉(cāng)儲(chǔ)分為存儲(chǔ)型倉(cāng)儲(chǔ)、物流中心倉(cāng)儲(chǔ)、配送型倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸轉(zhuǎn)換倉(cāng)儲(chǔ)等[5]。倉(cāng)儲(chǔ)是連接生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售配送的中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)。倉(cāng)庫(kù)的布局是影響倉(cāng)儲(chǔ)調(diào)度效率的重要因素，倉(cāng)庫(kù)布局的好壞將直接影響倉(cāng)儲(chǔ)管理的便利性，可持續(xù)性。

2 貨架的概述

現(xiàn)代物流的發(fā)展是立體倉(cāng)庫(kù)的出現(xiàn)與發(fā)展的前提，其是與工業(yè)、科技等發(fā)展相適應(yīng)的。現(xiàn)代化大生產(chǎn)越來越促使工業(yè)生產(chǎn)社會(huì)化、專業(yè)化、集中化，生產(chǎn)的高度機(jī)械化、自動(dòng)化必然要求物資的供應(yīng)分發(fā)及時(shí)、迅速、準(zhǔn)確。這就促使立體倉(cāng)庫(kù)技術(shù)得到迅速的發(fā)展，與之匹配的貨架也就應(yīng)運(yùn)而生，貨架泛指存放貨物的架子，用于存放成件物品的保管設(shè)備。貨架按其發(fā)展歷程分為傳統(tǒng)貨架和新型貨架。貨架的種類很多，按倉(cāng)儲(chǔ)貨架分為輕型倉(cāng)儲(chǔ)貨架、中型倉(cāng)儲(chǔ)貨架、重型倉(cāng)儲(chǔ)貨架、閣樓貨架等。

2.1 基本存取路徑

大多時(shí)候，企業(yè)生產(chǎn)和倉(cāng)儲(chǔ)過程中，通常均是按照基本行或者是按照基本列來隨機(jī)存放貨物如圖1所示。

因此本文立足基本的層格式貨架，考慮到堆垛機(jī)前進(jìn)和托舉過程均是通過齒輪傳動(dòng)，單位時(shí)間傳動(dòng)的距離基本不變。現(xiàn)假設(shè)：堆垛機(jī)前進(jìn)和托舉的步驟一致（向前行進(jìn)一個(gè)單位的同時(shí)可以向上托舉一個(gè)單位高度）；[x]代表堆垛機(jī)存取位置為[（x0，y0）]的貨物行進(jìn)時(shí)所處的臨時(shí)位置；[y]代表堆垛機(jī)存取位置為[（x0，y0）]的貨物抬舉時(shí)所處的臨時(shí)位置，則貨物存取路徑為：

[yin=0， x∈[0，x0-y0]x-（x0-y0）， x∈[x0-y0，x0]] （1）

堆垛機(jī)存取貨物所用的時(shí)間[T]與其所處的臨時(shí)位置之間的關(guān)系：

[Tin=x， x∈[0，x0-y0]x， x∈[x0-y0，x0-y0+1，…，x0]] （2）

式中：[T]為堆垛機(jī)存取貨物所用的時(shí)間；[x∈（0，1，2，…，n），][y∈（0，1，2，…，n）；][m，n∈N*，m

從圖1中4條路徑[r1，r2，r3，r4]來看，[r4]路徑用時(shí)最長(zhǎng)，為[（x0+y0）]個(gè)時(shí)間單位，顯然大于其他三條路徑；[r1，r2，r3]路徑的理論耗時(shí)相當(dāng)，但在[r2]路徑下，堆垛機(jī)無法實(shí)現(xiàn)非步進(jìn)式抬升。[r1]與[r3]相比較，[r3]在未托舉狀態(tài)下先進(jìn)行水平移動(dòng)，更容易被接受，安全性也更高。

2.2 貨架模型

在實(shí)際生產(chǎn)和倉(cāng)儲(chǔ)過程中，通常是研究一個(gè)或多個(gè)貨架的貨物存取時(shí)間問題。要提升存取貨物的效率，那么建立整個(gè)貨架貨位優(yōu)先模型就很有必要。

如果堆垛機(jī)存放貨物時(shí)，儲(chǔ)位隨機(jī)選擇，那么貨物出入庫(kù)的平均時(shí)間（期望值）：

[Erandio（m，n）=2mnx=1mx×（2x-1）+2nx=m+1，x>mnx =m+14m-1+3n-mn+m+13n] （3）

令貨架層數(shù)[m=10]，貨架列數(shù)[n=20]；則[Erandio（10，20）=11.325]；相當(dāng)于每次堆垛機(jī)存放貨物都得從入口行進(jìn)11個(gè)單位時(shí)間才開始存取貨操作。再令貨架層數(shù)[m=10]，貨架列數(shù)[n=30]；則[Erandio（10，30）=][16.05]；相當(dāng)于每次堆垛機(jī)均將貨物從入口行進(jìn)16個(gè)單位時(shí)間才開始存取貨操作。隨機(jī)出入庫(kù)堆垛機(jī)等效運(yùn)行時(shí)間如圖2所示。

現(xiàn)假設(shè)：往一個(gè)貨架（規(guī)格為[10×20]）存儲(chǔ)100個(gè)貨物，隨機(jī)作業(yè)的堆垛機(jī)的期望作業(yè)時(shí)長(zhǎng)為2 265個(gè)時(shí)間單位?？紤]單個(gè)貨架的貨位模型： 假定貨架為[m]層[n]列，貨位標(biāo)號(hào)為[l]，第[i]個(gè)標(biāo)號(hào)擁有的貨位數(shù)量為[numl （i）]：貨位標(biāo)號(hào)：[l（x，y）=max（x，y）]，每個(gè)標(biāo)號(hào)[i]下?lián)碛械呢浳粩?shù)量為：

[num l（i）=2i-1， x≤mm， x>m] （4）

待入庫(kù)作業(yè)量為[ST]，則貨物入庫(kù)貨架數(shù)量與貨架標(biāo)號(hào)之間必須滿足：

[ST≤1min（i）num l（i）] （5）

通過儲(chǔ)位優(yōu)化后，堆垛機(jī)的作業(yè)時(shí)長(zhǎng)為[21min（i）num l（i）=1 430]；單貨架貨位標(biāo)號(hào)示意圖見圖3。

對(duì)比運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

通過儲(chǔ)位優(yōu)化選擇能夠提升堆垛機(jī)的作業(yè)效率，此外，從式（5）中可以看出，只要該貨架的列數(shù)不少于[m]列，且存放貨物數(shù)量少于[m2]，那么，無論貨架列數(shù)如何增加，堆垛機(jī)的作業(yè)時(shí)長(zhǎng)不發(fā)生改變。因此，可得到優(yōu)化模型（在一定條件下）對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)資源微調(diào)具備魯棒性。

3 倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的儲(chǔ)位分配優(yōu)化問題

3.1 優(yōu)化模型的建立

如果考慮整個(gè)倉(cāng)庫(kù)的布局，整合倉(cāng)儲(chǔ)的各種資源和設(shè)備，建立一個(gè)全局最優(yōu)化出入庫(kù)管理系統(tǒng)，如圖5所示。

令叉車在相鄰貨架之間的行進(jìn)時(shí)間為[t1]，轉(zhuǎn)向后駛近貨架的時(shí)間為[t2]，貨架號(hào)為[s∈{1，2，…，S}]，則第[s]貨架[（x，y）]貨位標(biāo)號(hào)為：

[num ls，x，y=s-1t1+maxx，y++t2] （6）

假定倉(cāng)庫(kù)擁有[S]個(gè)貨架，貨架規(guī)格為[m]層[n]列，待入庫(kù)作業(yè)量為[ST]，則貨物入庫(kù)模型為：

[ST=i=1min（i）s=1s=Snum l（s，i）] （7）

每個(gè)貨架標(biāo)號(hào)[num l（i）]下?lián)碛械呢浳粩?shù)量為：

[num li=s=1Snum ls，iεi-t1s-1] （8）

式中，[εn=1， n≥00， n<0]。

3.2 運(yùn)行結(jié)果

假設(shè)，在一個(gè)擁有5個(gè)貨架的倉(cāng)庫(kù)中，每個(gè)貨架規(guī)格為[10×20]，現(xiàn)欲存儲(chǔ)250個(gè)貨物：

（1） 采用隨機(jī)選擇來存儲(chǔ)貨位的所需用時(shí)為[Trandio（250）=7 262.5]；

（2） 采用儲(chǔ)位優(yōu)化貨位選擇來存儲(chǔ)貨物的用時(shí)為[Topt（250）=4 828]。

多貨架儲(chǔ)位優(yōu)化作業(yè)時(shí)間運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

4 結(jié) 論

對(duì)比運(yùn)行結(jié)果就能清晰地發(fā)現(xiàn)，所研究的儲(chǔ)位選擇優(yōu)化算法能夠大大提升貨物出入庫(kù)效率和資源利用率。分析算法的本身特征可以發(fā)現(xiàn)，如果讓入庫(kù)的任務(wù)量保持不變，增加貨架的長(zhǎng)度（列），這樣會(huì)增加貨位隨機(jī)存儲(chǔ)所用時(shí)間，而不會(huì)改變這種儲(chǔ)位優(yōu)化算法下的作業(yè)時(shí)間。也就是說，該儲(chǔ)位分配優(yōu)化方法能夠較好地適應(yīng)倉(cāng)儲(chǔ)資源的微調(diào)，算法具備魯棒性。

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